专利名称：一种作物茎杆直径微变化检测装置及检测方法
技术领域：
本发明属于农业工程领域的检测装置，特指一种作物茎杆直径微变化检测装置及检测方法。
背景技术：
雾化栽培是无土栽培技术中新发展出来的一种模式，它是把植物的根系完全悬于充满了气雾化之后的培养液的培养室中，从而使得根系对于氧气、水份、肥料的吸收得到充分的保证；其中营养液的雾化是通过雾化喷头实现的，植物的生长的优劣与雾场控制之间的联系极为紧密。目前国内雾培中常用的喷雾量控制方法是间歇控制方法，就是在计算机程序中设定与外界环境温度相关的时间模块，外界温度越高，喷雾越频繁；这种方法是以采集的环境·参数为参照来确定喷雾方式与间歇时间，而不考虑作物本身对水的需求，其科学性和精确性都比较差。以作物生理传感器采集的数据为基础，以作物精准生长模式为判断依据的雾培喷雾先进调控技术正在被发达国家采用；日本的植物工厂通过采用微米级的微位移传感器夹置于植株的茎杆或叶片上，利用水分变化胀落对茎杆直径或叶片厚度产生影响的机理来运算确定喷雾强度与时间；当植株失水时会使茎杆甚至是叶片的厚薄发生微位移，再按胀落的幅度参数为参照确定喷雾的强度与时间，以达到精确控制科学供雾的目的，其喷雾的科学性与精确性明显优于间歇控制方法，这种喷雾调控方式的技术关键是茎直径或叶片厚度微胀落位移的实时精准测量。与测量叶片厚度胀落微位移相比，测量茎直径胀落微位移法具有精度高、数据稳定可靠、随机性小、可连续监测和自动记录以及简单易行等特点，在雾培精准喷雾控制中最具应用前景。目前国内外茎直径微胀落位移的测量方法主要为非电量电测法、激光测量法、直接测量法以等。非电量电测法(电阻和电感)和直接测量法的测量精度较低，电容测量法的输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大；激光测量的安全性差、成本高、测试精度易受环境干扰，并且光学系统保养使用麻烦。除了测试原理的局限性，目前国内外茎直径微胀落位移测试系统应用在雾培系统喷雾调控中还有以下局限性
(I)茎直径微位移数据中包含了作物茎直径自然生长量，而目前国内外茎直径微位移测试系统还不能从茎直径微位移数据中有效剔除茎直径自然生长量，使茎直径微胀落位移数据不能准确反映作物需水信息。(2)大多数雾培作物茎杆比较柔软，有轻微扰动(如风的吹动和人的接触)就会发生较大弯曲变形而使茎杆直径发生变化，会使传感器产生错误的作物需水信息，从而使雾培喷雾控制系统产生错误的喷雾调控动作。因为茎直径微胀落位移测试原理和测试系统的上述局限性，使得目前实时、准确以及无损采集作物需水信息非常困难，因而也难以根据作物实时需水信息进行精准喷雾调控。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠、成本低、测量精度高、可以实现连续无损检测的作物茎杆直径微变化检测装置。本发明采用如下的技术方案
所述的作物茎杆直径微变化检测装置，如图2，包括纵弯复合超声直线电机、单片机、功率放大器和一对限位片，一对限位片串联后紧贴在待检测的植物茎杆的两侧之后分为两路，一路与单片机的A/D 口相连，另一路与限流电阻串联后接地，贴有限位片的植物茎杆应置于超声直线电机的两探针旁支之间；纵弯复合超声直线电机的位于压电陶瓷片之间的电极片正极经功率放大器与单片机相连，接受单片机产生的由功率放大器放大后的方波电压输入信号；纵弯复合超声直线电机的位于压电陶瓷片之间的电极片负极接地；纵弯复合超 声直线电机的探针远离两探针旁支的一端接+5V电源。所述的纵弯复合超声直线电机包括定子和探针，基本结构如图I ;所述定子包括螺母、拨齿，压轴套、双头螺柱轴、电极片、支承柱、压电陶瓷片组和探针；压电陶瓷片组通过橡胶套筒套在双头螺柱轴上，电极片位于压电陶瓷片组的压电陶瓷片之间；螺母依次将拨齿、压轴套、压电陶瓷片组紧固在双头螺柱轴上；探针位于拨齿上，通过紧固螺钉将探针水平紧固在拨齿上；压电陶瓷片组共有八片压电陶瓷片，分为7 (a)、7(b)、7 (c)和7(d)四组；其中7(b)和7(c)的上下极化方向相同，为拉伸陶瓷片，驱动电压相位相差180度；7(a)和7(d)的上下极化方向相反，为弯曲陶瓷片，驱动电压相位也相差180度；而7(a)和7(b)的驱动电压相位相差90度，7(c)和7(d)的驱动电压相位相差也90度；采用双螺母防松锁紧，通过调整螺母的预紧力，使得定子的各零件很好的联成一体。所述纵弯复合超声直线电机的工作原理为纵弯复合超声直线电机的弯曲振动频率与纵向拉伸振动频率一致，以该共振频率为定子工作频率，在两相相位差为90度，频率为定子工作频率的方波电压输入信号作用下，定子将产生拉伸、弯曲复合振动；如图4，一个驱动周期的过程为(I) — (2) — (3) — (4) — (I)。(I)定子弯曲达到振幅位置，纵向恢复到平衡位置，此时，速度达到最大，同时左端拨齿齿顶通过预紧力与探针贴紧，在摩擦和惯性力驱动下，带动探针向左方向运动；
(2)定子纵向拉伸达到振幅位置，弯曲恢复到平衡位置，此时，回复力最大，左端拨齿在产生驱动作用后开始同探针脱开，探针靠其惯性，继续向左运动；
(3)定子弯曲达到振幅位置，纵向恢复到平衡位置，此时，速度达到再次达到最大，同时右端拨齿齿顶通过预紧力与探针贴紧，在摩擦和惯性力驱动下，再次带动探针向左方向运动；
(4)定子纵向压缩达到振幅位置，弯曲恢复到平衡位置，回复力再次达到最大，同时右端拨齿在产生驱动作用后和探针脱开，探针靠其惯性，继续向左运动。如此周而复始，振子从状态(4)又回到状态(1)，进入下一个周期的运动。超声直线电机就是这样利用柱形定子的纵向、弯曲复合振动，分别在两个拨齿齿顶产生椭圆运动，以此推动探针单向定距离移动。
所述的作物茎杆直径微变化检测装置的检测原理图如图3 ;在图3中，纵弯复合超声直线电机接收由功率放大器放大的单片机产生的左移方波电压输入信号，带动探针向左移动，如图3 (I);当探针旁支与右限位片接触时，如图3 (2)，单片机的A/D 口将接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送左移方波电压输入信号，转而发送右移方波电压信号，带动探针向右移动，于此同时单片机开始计数右移方波信号的数目；当探针旁支与左限位片接触时，如图3(3)，单片机的A/D 口再次接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送右移方波电压输入信号，并保存已产生右移方波信号的数目，之后单片机发送左移方波电压信号，带动探针向左移动，于此同时单片机开始计数左移方波信号的数目；当探针旁支与右限位片接触时如图3 (2)，单片机的A/D 口又接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送左移方波电压输入信号，并保存已产生左移方波信号的数目，之后单片机发送右移方波电压信号，带动探针向右移动，如此周而复始能收集到一组方波电压数目，可以方便地计算作物的茎杆直径，作物茎杆直径=探针旁支间隔长度一方波数目X每周期方波进给距离。综上所述，本发明是一种测量茎杆微变化过程简单可靠、传感器成本低、测量精度高、可以实现连续无损检测的装置。
图I为纵弯复合超声直线电机结构示意 I、螺母；2、拨齿；3、压轴套；4、双头螺柱轴；5、电极片；6、支撑柱；7、压电陶瓷片组；8、探针；18、紧固螺钉；19、橡胶套筒；
图2为本发明所述的作物茎杆直径微变化检测装置的结构示意 图3为本发明所述的作物茎杆直径微变化检测装置的检测原理 9、纵弯复合超声直线电机；10、限位片；11、功率放大器；12、单片机；13、雾化室；14、雾化喷头；15、植物茎杆；16、限流电阻；17、探针旁支；
图4为纵弯复合超声直线电机的工作原理图。
具体实施例方式所述的作物茎杆直径微变化检测装置，如图2所示，包括纵弯复合超声直线电机9、单片机12、功率放大器11和一对限位片10，一对限位片10串联后紧贴在待检测的植物茎杆15的两侧之后分为两路，一路与单片机12的A/D 口相连，另一路与限流电阻16串联后接地，贴有限位片的植物茎杆15应置于纵弯复合超声直线电机9的两探针旁支17之间；纵弯复合超声直线电机15的位于压电陶瓷片之间的电极片5的正极经功率放大器11与单片机12相连，接受单片机12产生的由功率放大器11放大后的方波电压输入信号；纵弯复合超声直线电机9的位于压电陶瓷片之间的电极片5的负极接地；纵弯复合超声直线电机9的探针8的远离两探针旁支17的一端接+5V电源。所述的纵弯复合超声直线电机9包括螺母I、拨齿2、压轴套3、双头螺柱轴4、电极片5、支撑柱6、压电陶瓷片组7、探针8、紧固螺钉18和橡胶套筒19 ;压电陶瓷片组7共有八片(如图I所示)，分为7a，7b，7c和7d四组；其中7b和7c的上下极化方向相同，驱动电压相位相差180度；7a和7d的极化方向相反，驱动电压相位也相差180度。而7a和7b的驱动电压相位相差90度，7c和7d的驱动电压相位也相差90度。
纵弯复合超声直线电机9经功率放大器11与单片机12相连，接受单片机产生的由功率放大器放大后的方波电压输入信号；一对限位片10串联后紧贴在植物茎杆15的两侧之后分为两路，一路与单片机的A/D 口相连，另一路与限流电阻16串联后接地，贴有限位片10的植物茎杆15应置于两探针旁支17之间；雾化喷头14置于雾化室13内；通过单片机12产生的由功率放大器11放大后的方波电压输入信号驱动压电陶瓷片组7产生机械力，使得定子发生拉伸、弯曲复合振动，带动探针8产生定距离的单向运动，当探针旁支17与限位片10接触时，单片机12的A/D 口将接收到+5V的电信号，然后马上停止产生方波电压输入信号并计数已产生的方波数目，便可计算出探针前进的距离(前进距离=方波数X每周期方波进给距离)，以此可知作物的茎杆直径(作物茎杆直径=探针旁支间隔长度一前进距 离)，通过连续多次的往复检测，可以得到多组茎杆直径值，各组直径值的差值即为作物茎杆直径微变化；以作物茎杆直径微变化为依据来控制雾化喷头的工作状态，如果作物茎杆直径减小，则增大雾化喷头14的功率，增大喷雾量；如果作物茎干直径基本不变或变大，则控制雾化喷头14的功率不变、变小或关闭。
权利要求
1.一种作物茎杆直径微变化检测装置，其特征在于所述检测装置包括纵弯复合超声直线电机、单片机、功率放大器和一对限位片，一对限位片串联后紧贴在待检测的植物茎杆的两侧之后分为两路，一路与单片机的A/D 口相连，另一路与限流电阻串联后接地，贴有限位片的植物茎杆应置于超声直线电机的两探针旁支之间；纵弯复合超声直线电机的位于压电陶瓷片之间的电极片正极经功率放大器与单片机相连，接受单片机产生的由功率放大器放大后的方波电压输入信号；纵弯复合超声直线电机的位于压电陶瓷片之间的电极片负极接地；纵弯复合超声直线电机的探针远离两探针旁支的一端接+5V电源。
2.如权利要求I所述的一种作物茎杆直径微变化检测装置，其特征在于所述纵弯复合超声直线电机包括定子和探针；所述定子包括螺母、拨齿，压轴套、双头螺柱轴、电极片、支承柱、压电陶瓷片组和探针；压电陶瓷片组通过橡胶套筒套在双头螺柱轴上，电极片位于压电陶瓷片组的压电陶瓷片之间；螺母依次将拨齿、压轴套、压电陶瓷片组紧固在双头螺柱轴上；探针位于拨齿上，通过紧固螺钉将探针水平紧固在拨齿上。
3.如权利要求2所述的一种作物茎杆直径微变化检测装置，其特征在于所述压电陶瓷片组共有八片压电陶瓷片，分为7(a)、7(b)、7 (c)和7(d)四组；其中7(b)和7 (c)的上下极化方向相同，为拉伸陶瓷片，驱动电压相位相差180度；7(a)和7(d)的上下极化方向相反，为弯曲陶瓷片，驱动电压相位也相差180度；而7(a)和7(b)的驱动电压相位相差90度，7 (c)和7 (d)的驱动电压相位相差也90度。
4.一种作物茎杆直径微变化检测方法，其特征在于纵弯复合超声直线电机接收由功率放大器放大的单片机产生的左移方波电压输入信号，带动探针向左移动；当探针旁支与右限位片接触时，单片机的A/D 口将接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送左移方波电压输入信号，转而发送右移方波电压信号，带动探针向右移动，于此同时单片机开始计数右移方波信号的数目；当探针旁支与左限位片接触时，单片机的A/D 口再次接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送右移方波电压输入信号，并保存已产生右移方波信号的数目，之后单片机发送左移方波电压信号，带动探针向左移动，于此同时单片机开始计数左移方波信号的数目；当探针旁支与右限位片接触时，单片机的A/D 口又接受到+5V的电信号，这时单片机将停止发送左移方波电压输入信号，并保存已产生左移方波信号的数目，之后单片机发送右移方波电压信号，带动探针向右移动，如此周而复始能收集到一组方波电压数目，能够哦方便地计算作物的茎杆直径，作物茎杆直径=探针旁支间隔长度一方波数目X每周期方波进给距离。
全文摘要
本发明属于农业工程领域的检测装置，特指一种作物茎杆直径微变化检测装置及检测方法。本发明通过单片机产生的经功率放大器放大后的方波电压输入信号驱动纵弯复合超声直线电机的压电陶瓷片组产生机械力，使定子发生拉伸、弯曲复合振动，带动探针产生定距离的单向运动，再由单片机计数已产生的方波数目，便可计算出探针移动的距离，从而检测出植物含水量。其测量过程简单可靠，传感器成本低，测量精度高，并且可以实现连续的无损检测。
文档编号G01B7/12GK102706269SQ201210172040
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者李俊一, 高建民 申请人:江苏大学